CN105800744A - 便携式海水淡化装置及包括该装置的净水杯 - Google Patents

Abstract

便携式海水淡化装置及包括该装置的净水杯，涉及海水淡化技术，为了解决现有淡化海水的装置结构复杂、成本高、膜污染及氧化严重、废水量大和无法实现小型化的问题。多个三通毛细管件围城一圈，全氟磺酸膜在该圈的外侧缠绕一圈且位于海水入水段、淡化水出水段和浓缩水出水段的交界处，每个三通毛细管件的侧壁上均开有小孔，该小孔位于全氟磺酸膜与三通毛细管件接触处，浓缩水回流槽用于盛放由浓缩水出水段滴落的水；电源的正极通过海水入水段侧壁的小孔嵌固在海水入水段，电源的负极固定在全氟磺酸膜上。包括便携式海水淡化装置的净水杯包括杯体和便携式海水淡化装置。本发明净化效率高、能耗低、废水率低、便于携带、无垢脱盐，适用于淡化海水。

Description

便携式海水淡化装置及包括该装置的净水杯

技术领域

本发明涉及海水淡化技术。

背景技术

目前用于海水淡化的主要方法有：蒸馏法、反渗透法与电渗析法，但都具有一些缺点。

蒸馏法是通过加热海水使之沸腾汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的方法。蒸馏法海水淡化技术是最早投入工业化应用的淡化技术，特点是即使在污染严重、高生物活性的海水环境中也适用，产水纯度高。但蒸馏法在实际应用中也存在着不少缺点，如大型设备操作成本较高，设备结构较复杂，操作困难，需要与发电站联合使用等。而可以单独使用的小型海水淡化装置，一般成本较高，需要大量额外能量供给，无法达到可便携的目的。目前由于可便携装置的制作技术不成熟，工作效率较低，投入比远大于产出比，还未出现可随身携带的较小型海水淡化装置。

反渗透是渗透的逆过程，它主要是在压力的推动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶剂与溶质分开的膜分离过程。但是反渗透技术也有一些缺点：

(1)膜污染，它一直以来就是人们关注的热点问题，它影响着膜的稳定运行和出水水质，并将缩短膜的使用寿命。由微生物在膜面生长造成的反渗透膜污染现象很普遍，它会使水分子渗透过膜所需要的压力急剧上升。这一问题可以通过一些常用的生物杀伤剂，例如活性氯与臭氧以及紫外线灭菌等方法得以解决，但是频繁的化学洗涤又会降低膜的使用寿命，并给系统中引入一些灭菌副产物，例如臭氧处理富溴盐废水的过程中产生的溴酸盐就被世界卫生组织和美国环境保护署列为一种致癌物。无机盐也是一类很重要的污染物，对于这方面机理的研究也很多，主要集中在考察错流流率和压力等操作参数，以及膜孔隙率和粗糙度等对无机盐在膜表面结晶的影响。

(2)对某些离子去除效果不理想。反渗透膜对一些具有特殊截留机理的离子的脱除效果还不理想，例如硼，一般对硼的去除率低于百分之九十。

(3)膜氧化。应对膜污染问题时所产生的膜氧化仍是制约当前商品反渗透膜广泛应用的重要因素。

(4)废水量大，大约是30％左右。

(5)反渗透净水机要用到水泵，需要通电，有电气安全问题，接头多，水压高，故障率及漏水概率相对较高，结构复杂，价格成本较高。

(6)由于纯水机采用多级过滤方式，所以辅助滤芯更换频繁，造成成本升高、容易滋生二次污染的隐患。

电渗析法也叫换膜电渗析法，是用新型离子交换膜处理海水，离子膜是0.5mm-1.0mm厚度的功能性膜片，用高分子材料制成，分为正离子交换膜(阳膜)和负离子交换膜(阴膜)。存在以下缺点：

(1)废水量较大，是反渗透法的二倍。

(2)膜污染问题，需经常换膜，对膜的质量要求较高。

(3)当电流超过极限电流时，会迫使界面上的水分子解离，由解离出的H⁺和OH^-来承担超过极限值那部分电流的输送，这种现象称为极化现象。这不仅使电流白白消耗在无助于脱盐的H⁺和OH^-的迁移上，而且会引起溶液的pH值发生变化，使钙盐镁盐之类的离子浓度的乘积超过溶度积，而在浓缩海水夹层的阴膜和阳膜的表面沉淀，阻塞水流通道，甚至导致被迫停机拆洗。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有淡化海水的装置结构复杂、成本高、膜污染及氧化严重、废水量大和无法实现小型化的问题，从而提供便携式海水淡化装置及包括该装置的净水杯。

本发明所述的便携式海水淡化装置，包括多个三通毛细管件、浓缩水回流槽、电源和全氟磺酸膜；

每个三通毛细管件的结构均相同，每个三通毛细管件均包括海水入水段、淡化水出水段和浓缩水出水段，浓缩水出水段为L型，浓缩水出水段的出水口向下；

所述多个三通毛细管件围成一圈，全氟磺酸膜在该圈的外侧缠绕一圈且位于海水入水段、淡化水出水段和浓缩水出水段的交界处，海水入水段和浓缩水出水段位于全氟磺酸膜的一侧，淡化水出水段位于全氟磺酸膜的另一侧，每个三通毛细管件的侧壁上均开有小孔，该小孔位于全氟磺酸膜与三通毛细管件接触处，

浓缩水回流槽用于盛放由浓缩水出水段滴落的水；

电源的正极通过任意一个三通毛细管件的海水入水段侧壁的小孔嵌固在海水入水段，电源的负极固定在全氟磺酸膜上。

本发明所述的包括便携式海水淡化装置的净水杯，包括杯体和便携式海水淡化装置；

便携式海水淡化装置的多个三通毛细管件、浓缩水回流槽和全氟磺酸膜固定在杯体内，便携式海水淡化装置的电源固定在杯体的外部。

本发明的原理如下：借助人的吸力海水沿三通毛细管件通过覆有电极的全氟磺酸膜形成的离子浓度极化区域，高浓度水沿侧部的浓缩水出水段回流，低浓度水流入口中。离子浓度极化(ICP)是发生在微通道附近，并包含离子耗尽和离子的浓缩过程的离子输送现象。当在水的两端施加电压，在全氟磺酸膜附近会产生离子浓度极化区域，从而使纯水与杂质离子分离，达到海水淡化的目的。而本发明正是利用了全氟磺酸膜形成了离子极化区域，进而实现ICP现象。本发明的海水淡化装置小巧、便携，可以放置于水杯等装置中。

本发明是基于离子浓度极化现象直接对海水或者地下水进行脱盐淡化而不需要反渗透膜，分成两个管道分别流出淡化水和浓缩水。一旦离子浓缩极化现象在全氟磺酸膜附近形成，阳离子和阴离子的浓度在纳米结的阳极一侧都会减少(离子消除区)，在阴极一侧都会增加(离子富集区)。任何带电的分子，细胞还有小的胶体也能够类似地出现减少和富集的现象，这种结构的一个重要特点是，盐离子(和其它带电碎片)也从该膜附近赶走，从根本上消除了膜结垢的可能性。

本发明的有益效果如下：

1、高效净化海水。本发明的装置可高效处理海水，满足人们饮水需求，且装置过滤后海水可脱盐99％，三通毛细管件作为吸管，人们可以直接从吸管饮水，方便快捷。

2、无垢脱盐。本发明的装置能够清除任何带电粒子，粒子范围从小的盐离子到大的粒子或是细胞，而不使薄膜被弄脏和堵塞，这能大大减少海水直接脱盐的复杂性和花费。避免ED电渗析或RO反渗透技术的缺陷，粒子和盐分被从关键的纳米结中拿走，然后接连不断地再注入到浓缩水出水段管道，这就能够实现长久工作而不需要清洁和更换透膜。

3、低能耗淡化海水。本发明的装置采用离子浓度极化现象，其耗电率低于现存技术如RO反渗透技术以及ED电渗析技术，而且装置采用吸管设计，直接通过人的吸力将水吸入离子浓度极化区域，减少了人工压水的耗电，并且促使离子浓度极化现象发生。

4、废水率低。本发明的装置中高浓度水可以循环利用，在离子浓度极化区域，低浓度水经过吸管直接进入口中，高浓度水沿侧部浓缩水出水段流回装置中，这样，浓缩的水可以再次进入吸管中进行极化，这样循环几次，到达一定程度更换废水即可，大大降低废水率。

5、便于携带。本发明的净水杯与普通水杯类似，可采用直流电源供电(如纽扣电池)，便于随身携带，体积小，适应性强。可在户外使用或者在远洋时使用。

本发明适用于淡化海水。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的便携式海水淡化装置的原理示意图，

A为海水入水方向，B为淡化水出水方向，C为浓缩水出水方向；

图2是具体实施方式一所述的便携式海水淡化装置的结构示意图；

图3是具体实施方式三所述的包括便携式海水淡化装置的净水杯的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的便携式海水淡化装置，包括多个三通毛细管件、浓缩水回流槽4、电源5和全氟磺酸膜6；

每个三通毛细管件的结构均相同，每个三通毛细管件均包括海水入水段1、淡化水出水段2和浓缩水出水段3，浓缩水出水段3为L型，浓缩水出水段3的出水口向下；

所述多个三通毛细管件围成一圈，全氟磺酸膜6在该圈的外侧缠绕一圈且位于海水入水段1、淡化水出水段2和浓缩水出水段3的交界处，海水入水段1和浓缩水出水段3位于全氟磺酸膜6的一侧，淡化水出水段2位于全氟磺酸膜6的另一侧，每个三通毛细管件的侧壁上均开有小孔，该小孔位于全氟磺酸膜6与三通毛细管件接触处，

浓缩水回流槽4用于盛放由浓缩水出水段3滴落的水；

电源5的正极通过任意一个三通毛细管件的海水入水段1侧壁的小孔嵌固在海水入水段1，电源5的负极固定在全氟磺酸膜6上。

本实施方式的装置具有如下独特而有吸引力的特点：

(1)高效。它拥有比较高的效率，能够适应最近的体现最高技术的反渗透RO领域。海水中99％的盐分被分离。

(2)无垢脱盐。它能够清除任何带电粒子，带电粒子范围从小的盐离子到大的粒子或是细胞，而不使薄膜被弄脏和堵塞，这能大大减少海水直接脱盐的复杂性和花费。不像ED或RO技术，粒子和盐分被从关键的纳米结中拿走，然后接连不断地再注入到浓缩水出水段管道，这就能够实现长久工作而不需要清洁和更换透膜。

(3)因为它不需要高压力的抽泵/循环系统，并且这个装置能量消耗低，仅在一个手提轻便的装置中就能实现，因此它很适用于无法弄到必须的基础设施来建造大型海水淡化系统的灾区和贫困地区，只能满足21％的人的生存最基本的水需求量(从饮用和食物中摄取)，本装置能够缓解这些地区的水紧缺。最后，本装置能够较高程度的替代ED或是RO。

(4)废水量较低。由于装置的能耗低，所以可以对水进行循环淡化，减少废水量。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的便携式海水淡化装置作进一步说明，本实施方式中，电源5包括直流电池和升压模块；

直流电池的正极连接升压模块的正极输入端，直流电池的负极连接升压模块的负极输入端，升压模块的正极输出端为电源5的正极，升压模块的负极输出端为电源5的负极。

具体实施方式三：结合图3具体说明本实施方式，包括具体实施方式一或二所述的便携式海水淡化装置的净水杯，包括杯体7和便携式海水淡化装置；

便携式海水淡化装置的多个三通毛细管件、浓缩水回流槽4和全氟磺酸膜6固定在杯体7内，便携式海水淡化装置的电源5固定在杯体7的外部。

便于携带，节约能量，可随身携带，户外旅时行可快速获取淡水。

本实施方式的净水杯的设计要点主要为：

1.吸管设计节约能量、便于使用。吸管吸力为水提供压力，推动水进入离子浓度极化区域。水进入离子浓度极化区域后，高浓度水进入侧部浓缩水出水段流回装置中，低浓度水进入口中。吸管的设计有效的节约了能量，方便直接饮用。

2.基于ICP原理的海水淡化杯能耗低、便于携带、使用方便。ICP是一种基本的电化学传输现象，当离子流通过离子选择性膜时发生，通常叫做离子浓缩或稀释。这种现象是由于在膜表面电荷载体不匹配引起。这种膜可以是纳米通道或者纳米多孔膜，会优先传导在电解液中不与离子电导率相配的阳离子。结果，离子浓度梯度在膜两侧形成。一旦ICP在阳离子选择性膜附近形成，在阳极侧阳离子浓度和阴离子浓度将会降低(离子稀释)，在阴极侧阳离子浓度和阴离子浓度升高。而且，任何带电的分子，细胞或是其他小型胶体也会同样的稀释或富集。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的包括便携式海水淡化装置的净水杯作进一步说明，本实施方式中，它还包括活性炭腔室8，活性炭腔室8固定在杯体7内，活性炭腔室8内装有活性炭，活性炭腔室(8)顶端设有腔室入水口。

为了移走海水中的中性的有机复合物，获得更干净的能够饮用的水，同时使用炭吸附(charcoalabsorption)方法。只需打开杯盖，由腔室入水口加入海水即可，而且只需像正常水杯一样借助吸管吸水即可获得淡水。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的包括便携式海水淡化装置的净水杯作进一步说明，本实施方式中，杯体7的直径为10cm，高度20cm，淡化水出水段2直径为200微米，长度为8cm，浓缩水出水段3与海水入水段1相通的L型的一端的直径为200微米，长度为1cm，海水入水段1的直径为400微米，长度为12cm，5wt％全氟磺酸膜6，电源5包括4个1.5V直流电池和1个升压模块，升压模块将6V电压升至50V，使ICP现象得以实现。

Claims (4)

1.便携式海水淡化装置，其特征在于，包括多个三通毛细管件、浓缩水回流槽(4)、电源(5)和全氟磺酸膜(6)；

每个三通毛细管件的结构均相同，每个三通毛细管件均包括海水入水段(1)、淡化水出水段(2)和浓缩水出水段(3)，浓缩水出水段(3)为L型，浓缩水出水段(3)的出水口向下；

所述多个三通毛细管件围成一圈，全氟磺酸膜(6)在该圈的外侧缠绕一圈且位于海水入水段(1)、淡化水出水段(2)和浓缩水出水段(3)的交界处，海水入水段(1)和浓缩水出水段(3)位于全氟磺酸膜(6)的一侧，淡化水出水段(2)位于全氟磺酸膜(6)的另一侧，每个三通毛细管件的侧壁上均开有小孔，该小孔位于全氟磺酸膜(6)与三通毛细管件接触处，

浓缩水回流槽(4)用于盛放由浓缩水出水段(3)滴落的水；

电源(5)的正极通过任意一个三通毛细管件的海水入水段(1)侧壁的小孔嵌固在海水入水段(1)，电源(5)的负极固定在全氟磺酸膜(6)上。

2.根据权利要求1所述的便携式海水淡化装置，其特征在于，电源(5)包括直流电池和升压模块；

直流电池的正极连接升压模块的正极输入端，直流电池的负极连接升压模块的负极输入端，升压模块的正极输出端为电源(5)的正极，升压模块的负极输出端为电源(5)的负极。

3.包括权利要求1或2所述的便携式海水淡化装置的净水杯，其特征在于，包括杯体(7)和便携式海水淡化装置；

便携式海水淡化装置的多个三通毛细管件、浓缩水回流槽(4)和全氟磺酸膜(6)固定在杯体(7)内，便携式海水淡化装置的电源(5)固定在杯体(7)的外部。

4.根据权利要求3所述的包括便携式海水淡化装置的净水杯，其特征在于，它还包括活性炭腔室(8)，活性炭腔室(8)固定在杯体(7)内，活性炭腔室(8)内装有活性炭，活性炭腔室(8)顶端设有腔室入水口。